Advanced Science:一种低成本高能量密度水溶液锌-硫电池

由于锌电极具有合适的电位、较高的理论容量和较好的水溶液兼容性,近年来水系锌电池引起了人们极大的关注。受“摇椅型”锂离子电池的启发,目前报道的水系锌电池正极材料集中在嵌入式正极,如锰基氧化物、钒酸盐、普鲁士蓝等。然而,受限于锌离子嵌脱对正极材料框架结构较强的依赖性,要求具有大隧道结构、较强离子亲和性和可变多价活性中心等,嵌入式正极材料的比容量和能量密度偏低。与嵌入式机制不同,转化式正极则可以有效降低锌离子对其材料结构的依赖性,有望大幅提高其比容量和体系能量密度。而目前报道的转化式正极,除了早期在苛刻的碱性电解液中的过渡金属氧化物外,在温和条件下的转化式正极鲜有报道。

针对这一问题,华中科技大学电气与电子工程学院蒋凯教授和王康丽教授团队设计了一类低成本、高容量转换型硫正极,在温和的锌溶液中,构建了新型水溶液锌-硫电池。通过优化电解液成分,充分激活硫电极的电化学活性,使其兼具高容量、高能量密度和低极化特性。得益于该体系廉价的材料成本,水溶液锌-硫电池的储能成本有望媲美抽水蓄能。相关结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202000761)上。

由于硫的电子电导率极低,电化学反应迟滞,该团队采用高表面积和高电导率碳纳米管支撑硫构成复合电极,以提高其反应动力学。研究复合硫电极在不同pH值的弱酸性和中性电解液中的电化学行为,发现硫电极在中性醋酸锌溶液中具有较高的比容量和较低的极化。为了进一步提高硫电极的利用率,降低极化,采用碘作为氧化还原媒介提高其电化学性能,发现其可逆容量、平均放电电位、极化电压、循环性能和能量密度均显著改善。此外,采用其他策略,比如合理设计导电碳材料,采用催化剂和提高反应温度等方法,也将有效提升硫电极性能。由于新型水溶液锌-硫电池体系能够实现超高的材料能量密度和较低的成本,与目前报道的储能体系相比,具有潜在的应用优势。该研究提出的基于转化式正极材料的水溶液锌金属电池设计理念以及引入电解液添加剂等调控策略,可以拓展到其他电极材料体系,有望促进低成本高比能水溶液锌电池的发展。